技術(shù)干貨 | DAC信號完整性淺析

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算、大數據應用的迅速興起，服務(wù)器、路由器、交換機和數據存儲設備的數據傳輸速率在不斷增長(cháng)，數據中心面臨高帶寬、高可靠性和低延時(shí)的挑戰，尤其對高達800G的數據傳輸要求就更高。

要實(shí)現高數據傳輸，就需要經(jīng)濟高效、穩定可靠的數據傳輸線(xiàn)纜及連接器。DAC高速線(xiàn)纜擁有較高的簡(jiǎn)便性和靈活性以及低功耗等優(yōu)勢，是實(shí)現數據中心短距離高速率傳輸的高性?xún)r(jià)比解決方案。

800G QSFP-DD800 DAC數據速率高達800Gbps，采用8路112Gbps PAM4調制。單路112Gbps的高速率傳輸，意味著(zhù)更快的上升沿和更高的帶寬，這必然會(huì )為信號完整性帶來(lái)極大的挑戰。要滿(mǎn)足所需的插損、回損、TDR和串擾等，必然要進(jìn)行高速信號完整性仿真。

高速信號完整性仿真需要線(xiàn)纜模型和QSFP-DD800連接器模型，由于供應商不會(huì )提供這兩個(gè)模型，導致仿真遇到極大的困難，目前主要的解決方法有以下3種：

DAC信號完整性解決方案

方案一

只對高速線(xiàn)、信號過(guò)孔、電容進(jìn)行仿真；線(xiàn)纜焊接和QSFP-DD800連接器（與金手指相連接）不進(jìn)行仿真，而是依靠經(jīng)驗設計；

方案二

對高速線(xiàn)、信號過(guò)孔、電容、線(xiàn)纜焊盤(pán)和QSFP-DD800連接器焊盤(pán)進(jìn)行仿真，不建立線(xiàn)纜和QSFP-DD800連接器的等效模型，直接在線(xiàn)纜焊盤(pán)和QSFP-DD800連接器焊盤(pán)位置加激勵端口進(jìn)行仿真；

方案三

對高速線(xiàn)、信號過(guò)孔、電容、線(xiàn)纜焊接和QSFP-DD800連接器進(jìn)行仿真，需要對線(xiàn)纜和QSFP-DD800連接器建立等效模型。

方案面臨的挑戰

挑戰一

線(xiàn)纜焊接和QSFP-DD800連接器是阻抗失配最嚴重的兩個(gè)位置，依靠經(jīng)驗設計而不進(jìn)行信號完整性仿真將無(wú)法評估真實(shí)的性能。阻抗失配程度、高頻的插損/回損值以及是否出現諧振等關(guān)鍵信息均無(wú)法獲取，整個(gè)設計處于一種性能不確定的狀態(tài)，這是一種巨大的風(fēng)險，不僅會(huì )增大研發(fā)難度，還會(huì )增加研發(fā)成本以及延長(cháng)研發(fā)周期；

挑戰二

直接在線(xiàn)纜焊盤(pán)和QSFP-DD800連接器焊盤(pán)位置加激勵端口進(jìn)行仿真，是一個(gè)簡(jiǎn)單的評估方法，相比方案一會(huì )有改善，但線(xiàn)纜焊盤(pán)和QSFP-DD800連接器焊盤(pán)的低阻抗會(huì )使仿真結果失真，而且仿真模型與實(shí)際模型差異太大導致丟失非常多的細節信息（如線(xiàn)纜懸空、線(xiàn)纜與焊盤(pán)的焊接、QSFP-DD800連接器引腳末端懸空、QSFP-DD800連接器與焊盤(pán)的接觸導致信號的并聯(lián)傳輸等，這些關(guān)鍵信息都會(huì )對仿真結果造成很大的影響），最終導致仿真結果失真，影響信號完整性的評估；

挑戰三

雖然對線(xiàn)纜焊接和QSFP-DD800連接器進(jìn)行信號完整性仿真可以幫助評估性能，但是等效模型的設計質(zhì)量將決定所評估性能的真實(shí)性。部分等效模型只考慮了真實(shí)性，部分等效模型只考慮了等效性，絕大部分的等效模型沒(méi)有同時(shí)考慮真實(shí)性和等效性，這會(huì )導致仿真結果失真，從而使性能評估出現偏差，嚴重時(shí)甚至會(huì )得出錯誤的結論。如何在真實(shí)性和等效性之間取得平衡是高速信號完整性仿真的難點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)。

克服挑戰的技術(shù)手段技術(shù)

手段一：建立QSFP-DD800連接器的仿真模型——平衡真實(shí)性和等效性

1.  平衡QSFP-DD800連接器仿真模型的真實(shí)性和等效性的信號完整性仿真方法；

2. 還原QSFP-DD800連接器真實(shí)模型的處理方法；

3. QSFP-DD800連接器等效模型的設計與仿真優(yōu)化方法。

技術(shù)手段二：建立線(xiàn)纜的仿真模型——平衡真實(shí)性和等效性

1.  平衡線(xiàn)纜仿真模型的真實(shí)性和等效性的信號完整性仿真方法；

2. 還原線(xiàn)纜真實(shí)模型的處理方法；

3. 線(xiàn)纜等效模型的設計與仿真優(yōu)化方法。

技術(shù)手段三：線(xiàn)纜焊盤(pán)出線(xiàn)位置作容性補償——避免高速線(xiàn)阻抗被拉高造成阻抗嚴重失配

1. 作容性補償的矩形銅皮設計；

2. 容性補償同時(shí)改善2個(gè)阻抗不連續點(diǎn)（焊盤(pán)阻抗點(diǎn)與出線(xiàn)差分對阻抗點(diǎn)）的信號完整性仿真方法。

附圖說(shuō)明

圖1：QSFP-DD800連接器等效模型的插損曲線(xiàn)

圖2：QSFP-DD800連接器等效模型的TDR曲線(xiàn)

圖3：線(xiàn)纜等效模型的插損曲線(xiàn)

圖4：線(xiàn)纜等效模型的TDR曲線(xiàn)

圖5：矩形銅皮容性補償對比